5G通信技术在森林灭火实战中的应用研究-人工改重

发布日期:2022-05-25 10:43:45


  随着信息技术的高速发展,5G通信技术在各个行业领域逐步得到广泛推广和应用,而在森林消防领域,通信技术的发展运用对现场指挥调度,提升森林消防救援队伍攻坚打赢能力,圆满完成森林灭火任务、快速高效履行职责使命起到重要保障作用。为此探索建设基于5G通信技术的消防应急通信保障和指挥调度体系,突破传统通信手段,创新适应森林灭火作战任务的通信保障方法势在必行。


  结合森林灭火实践,对5G通信技术的概念、发展和特点进行介绍,总结分析我国森林灭火通信的现状和存在问题,在此基础上,探讨5G通信技术在森林灭火中的应用领域和主要作用,并对未来5G通信技术在森林消防领域的应用作出展望,以期为森林消防实践提供有益的参考借鉴。


  随着消防信息化建设的发展进步,通信技术对于提升森林消防救援队伍攻坚打赢能力,快速高效完成各类森林抢险救援任务起到了至关重要的作用。森林火灾发生时,风速、风向瞬息万变,通信在高温、浓雾下稳定性骤降,火灾对硬件设备的损坏以及一些未知特殊情况的发生,这些都会给指挥带来极大的困难,任何的延误以及错误指挥,会造成巨大损失。为此加强消防信息化建设,建立全地域、广覆盖的消防通信指挥调度网络,既可以提升调度指挥的科学性和精准性,也是快速高效完成各类灾害事故救援任务的前提保障,更是不断适应大应急、全灾种消防救援工作的迫切需求。


  现如今,在4G移动通信技术相对成熟的背景下,为了应对移动数据流量和终端连接数量的快速增长所带来的挑战,同时为了给用户提供更高传输速率、更低传输时延以及更高体验质量的服务,业界启动了第五代(5G)移动通信网络技术的研究,如今已发展成为各领域研发和应用的热点。森林灭火也不例外,在实战中科学运用5G通信技术,能够及时定向的向指挥中心传输图像、音频、文本等数据信息,用于下达作战命令、兵力投送、下发指挥路线、传达灭火指令等各项任务,确保在最短时间完成信息采集、缩短指挥决策时间等,有效实现安全灭火、高效灭火,为圆满完成各种应急救援任务提供有力通信保障。


  1.2研究目的及意义


  当今社会,无论是军队对敌作战还是政府行政办公,先进的移动通信技术,对整个组织的紧密程度和执行效率都起到了至关重要的作用。而消防救援队伍作为防范化解重大安全风险、应对处置各类灾害事故的主力军和国家队,面对复杂多变、分秒必争的任务,依托高效可靠的移动通信技术建设现代化的消防应急通信保障和指挥调度体系更是至关重要。


  特别是从森林灭火实践来看,灭火实战中通信不畅的问题是制约实战效果的瓶颈问题,如何快速准确地调查清楚火灾情况和当地的各类环境情况?如何快速准确地做出灭火行动决策?如何快速高效地指挥各个灭火队伍,以实现尽可能减少人员伤亡和快速扑灭火灾?这一系列问题成为当前森林消防最紧急的课题!近年来,随着全国森林防火工作长期发展规划,全国森林防火通信系统建设水平有了明显提高,通信覆盖率达到70%,在预防和扑救森林火灾中发挥了重要作用。但目前仍存在覆盖率不足、盲区死角多、互联互通与信息共享能力不强、现场指挥通讯不顺畅等问题。


  而随着5G通信技术的逐步推广和应用,利用5G通信技术为解决该问题提供技术方向和支持,探讨5G通信技术在森林灭火实战中的应用研究,对于实现森林灭火实战中的互联互通,提高指挥、协同的准确性、实效性具有重要意义,对于提高森林灭火实战效益、保护国家和人民群众生命财产,以及确保消防救援人员自身安全等方面都具有积极推动作用。


  1.3研究方法


  文献研究法。通过搜集、阅读、分析有关5G通信、消防救援、森林灭火的相关文献,深入了解相关的概念和理论,为本次论文提供研究的资料与参考。


  对比分析法。通过将5G通信与4G通信以及消防救援领域现有的通信技术进行对比,分析5G技术的应用场景、前景等,为提出对策建议打好基础。


  逻辑分析法。总结分析调查和研究我国森林灭火通信现状及存在问题,结合5G通信技术的特点针对这些问题提出对策建议。


  25G通信技术概述


  2.15G通信技术的概念


  第五代移动通信技术(简称5G)是最新一代蜂窝移动通信技术,是4G(LTE-A、WiMax)、3G(UMTS、LTE)和2G(GSM)系统后的延伸。其中,4G以正交频分多址(OFDMA)技术为核心,用户峰值速率可达100Mbps至1Gbps,能够支持各种移动宽带数据业务。与以前几代移动通信相比,5G关键能力更加丰富,用户体验速率、连接数密度、端到端时延、峰值速率和移动性等都将成为5G的关键性能指标。它的主要优势在于,数据传输速率远远高于以前的蜂窝网络,最高可达10Gbit/s,比当前的有线互联网要快,比先前的4GLTE蜂窝网络快100倍。同时,它还具备较低的网络延迟(更快的响应时间),低于1毫秒,而4G为30-70毫秒。另外,5G网络支持更大规模的设备接入,每平方公里接入设备数量达1000000个以上,可以实现理论上的“万物互联”。正是高速率、低延迟、多连接,这三大特点成为其相较于之前几代移动通信技术的突出进步。


  2.25G通信技术的发展历程


  自20世纪70年代蜂窝移动通信技术出现以后,中国开始接触这一高科技领域,但直到20世纪80年代末才正式开通蜂窝移动通信网络。坦率地说,我国移动通信的起步相对世界领先国家是较晚的。


  回顾移动通信的发展历程,每一代移动通信系统都可以通过标志性能力指标和核心关键技术来定义。1G时代,几万元一个的“大哥大”,让普通人望尘莫及。2G时代,国家大力发展移动通信,移动网络覆盖率和用户普及率快速提升,并尝试推出我们自己的产品,让普通老百姓用上手机。3G时代,移动通信与互联网技术全面结合,智能手机兴起。中国拥有自主知识产权的TD—SCDMA标准成为3G三大国际标准之一,实现我国百年通信史上“零的突破”。4G时代,我们建成全球最大4G网络,移动通信全产业链发展壮大,华为、中兴成为全球领先的移动通信设备供应商,中国电信、中国移动、中国联通也走在全球运营商前列。


  截至今天的5代移动通信技术,其发展几乎遵循“每10年一代”的规律。目前,无论是从基站覆盖率、手机拥有率,还是光纤入户率来看,中国移动通信产业与应用水平都走在世界前列,这样的发展着实不易。从完全不了解移动通信,到发展为移动通信用户大国、移动通信制造大国、移动通信应用大国,移动通信是新中国成立以来科技变革的缩影、科技创新的典范,也是高科技造福人民的代表性行业。


  2.35G通信技术的特点


  高速率、低延迟、多连接、广覆盖、强可靠是5G通信技术的基本特点,当前信息技术发展正处于新的变革时期,5G技术发展呈现出新的如下特点:


  (1)5G领域的相关研究不仅聚焦技术层面的变革,还非常注重提供优质的用户体验,各类新型移动业务能够收益于其对3D、虚拟现实等的有力支持。


  (2)传统的移动通信理念,仅仅把物理层传输、信道编译码等作为核心技术,而5G系统从更为广泛的多点、多用户、多天线、多小区协作组网作为突破的重点,通过不断优化体系架构,获得系统性能的提升。


  (3)相对于传统移动通信系统,5G技术能够提供更高性能的室内移动通信业务支撑,并将这方面作为系统的优先设计目标。


  (4)高频段频谱资源将更多地应用于5G移动通信系统,但由于受到高频段无线电波穿透能力的限制,无线与有线的融合、光载无线组网等技术将被更为普遍地应用。


  (5)可“软”配置的5G无线网络将成为未来的重要研究方向,运营商可根据业务流量的动态变化实时调整网络资源,有效地降低网络运营的成本和能源的消耗。


  (6)节省网络带宽资源。当前内容的重复冗余传输十分严重,由于当前的移动网络是基于端到端传输的,每一个内容请求都要建立一个移动网络承载和TCP/IP连接;对于同一基站的用户,请求相同的内容,需要建立多个连接请求下载,这无疑加重了移动网络的负载和移动网络资源的消耗。


  (7)在5G移动通信网络中部署计算资源对于满足终端设备对计算处理能力日益増长的需求具有重要意义。


  3我国森林灭火通信现状及存在问题


  3.1我国森林灭火通信现状


  随着我国森林防灭火工作的发展进步,火场通信系统建设水平不断成熟,逐步构建起了一套集超短波、短波、卫星、有线通信、公共网络等多种通信手段为一体的应急通信系统。在指挥系统上,目前以3S(卫星遥感技术、地理信息系统和全球定位系统)为代表的高新科技正在广泛应用,视频林火监控、EOS/MODIS卫星林火监测和航空森林消防区域逐步扩大。一些高科技的应用在火情监测和报告、视频监控、指挥决策等方面发挥了较好效果。在现场扑救灭火行动指挥上,建立起了一套与公共网络、有线电话、卫星通信、短波电台等综合组网的数字超短波通信网,以超短波通信为基础,综合多种通信手段,基本解决通信不畅这个难题。


  北方林区以内蒙古总队为例,过去受森林茂密,通信信号遮挡,通信存在较大盲区,无法解决森林通信问题。经过该总队在扑火实践中不断探索,经过十几年的建设,在大兴安岭地区建起13座深处原始林腹地的通信塔,超短波在全区重点林区和主战区建有142座转信台,各类对讲机、车载台等终端1451部,装备到班长以上人员,建立起超短波通信网。除此之外,作为超短波通信重要补充的北斗卫星系统也在灭火作战中发挥了重要作用,随着北斗全球组网和民用应用的普及,队伍的北斗通信系统也升级到第三代产品,通过手机可以直接联网北斗通信系统,短报文收发更加方便快捷,定位更为精准,实现了火场通信无死角、无盲区。


  南方林区以四川总队为例,该总队在进行灭火行动中积极协调地方优势资源,综合运用多种手段确保信息通联畅通。其中包括卫星便携站、卫星电话、4G图传终端、超短波电台等设备,密切配合协同,构建通信链路,调配多种无人机实施空中勘察,协调移动应急通信车重点保障,建立垂直指挥通信网,高效完成各级视频调度和信息报送保障工作。


  随着科技信息驱动森林消防现代化发展,以信息化建设助力队伍遂行任务能力转型,着力突破信息化建设壁垒,狠抓火场通信末端建设,加强与信息化资深企事业合作,借力发展,集智攻关,逐步有效改进了森林通信不畅通的问题。


  3.2我国森林灭火通信存在的主要问题


  在森林火灾现场,受灾害影响,原有的通信设备可能无法正常工作,会导致现场的手机网络出现无信号、弱覆盖、网络拥塞等状况,还可能森林大火烧过之后地上已有的通信设施设备荡然无存,通信等于零现象,甚至有的发生在地广人稀的偏远森林地区,没有移动电话信号、没有有线通信方式,这样的现实情况,给森林消防队伍灭火指挥作战带来了极大苦难,基于上述情况,火场通信保障不利一直是降低森林草原火灾救援效率的短板。尤其在扑救2017年内蒙古“4·30”“5·2”“5·17”三起重特大森林火灾时,火场前指与扑火队之间通信联络不畅的问题尤为突出,一定程度上影响扑火指挥调度和扑火效率。


  近年来我国森林防火基础设施建设步伐加快,但是基础设施依然薄弱。除少数省外,森林火险预警系统合森林火情预测预报尚未建立,许多火灾因不能及时发现而延误扑救的最佳时机;森林防火通信和指挥调度系统不健全,全国重点国有林区森林防火无线通信覆盖率平均为70%,其中西北地区不足50%,信息不畅严重影响了扑救指挥调度的准确性和决策的科学性。由于火场位置不确定性,造成的基于公网(如有线、联通、移动)的数据和图像传输困难,而利用海事卫星和VSAT卫星通信技术又带来髙昂费用无法大面积推广,林区的通信基础薄弱、信息化建设的基础硬件建设落后是普遍存在的问题。


  3.2.1信息系统未成体系


  如今,全国的森林防火意识还是比较客观,各地也愿意积极的回应行动。因为地域的特点不一、设备状况差异化,各个地区的准则和要求也不尽相同,很多地区的防范体系还处于低级阶段,重复、信息不通等导致的孤岛现象严重。再加上国家的扶持力度不够强,平台无法形成。还有很多早就存在的信息防范体系,跟不上潮流,已经被淘汰掉。对火灾的控制成都是和很多因素相关的,在硬件基础上,消防部门的队伍水平很大的程度会影响到救援的开展,除此之外,部门的合作协调与否也很重要,主要是指人员的物资输送及时否,后勤保障到位否等。种类繁多、关联互补是森林消防的特点,但是反观当下的各项任务开展,信息还很散,没有做到集中有序,地区之间的信息沟通有问题,发展的空间还很大。相较于业务方面的系统,信息系统则更加薄弱,在策划和构建上都显示出不足,不利于共享森林防范信息,于是森林消防信息无法正确起到作用。


  从地方基础设施来看,一般以县(区)或市级为单位,其组网的勘查设计不充分,加上不正规的布局,使得该网络类型的覆盖率很低,特别是通信上的缺点最多。综合起来可以发现,县上的知道体系和各类型的通信台站


  总体上看,县级指挥部与林场、了望塔等固定台站通信覆盖率能够达到覆盖可达九成往上。课时,县级指挥部和灾害现场的通讯覆盖却五成还不到。


  日常可以正常,但是打起火来却不正常;固定时通,动起来不通的问题一直没有被解决掉。


  3.2.2通信技术手段落后


  拿救援中来通话联系的对讲体系来说,该体系的原型还是传统的无线电通信技术,功率大传输距离会远,功率小则会近,大约会在3-10千米这个区间内,若是将系统置于信号差、不易输送的山地、盆地等地域,信号会特别差,于是可以适应这一系统的还是规模较小、地形简单的地域。如今的森林救险队伍已经全面升级,数字集群技术的GOTA对讲系统也全副武装起来,这样一来,可以传递的范围变大,传递信息的质量也提升了。不足之处是,这个系统需要CDMA网络的帮扶,而且那些相对较偏地方的传送效果会不理想。总之,当前通信技术手段在距离、覆盖、信号等都还有不足。


  3.2.3现有技术可兼容性不强


  此次实习过程中,笔者发现森林消防一线指挥员往往要携带多种通信工具,既要通过350M对讲机实现现场指挥调度,还要使用GOTA对讲机等系统与各级指挥中心进行信息上传下达,特别是在一些火场通信质量环境较差的地方,更是极大地增加了一线救援现场情况信息及指挥决策命令要求的上传下达时间。出现这一现象中主要的原因就是目前消防救援队伍配备的多种通信设备,基于的通信协议和技术标准完全不同,各种设备之间无法通用。


  此外,不仅在横向兼容上存在问题,在纵向扩展上也存在不足。根据消防信息化建设要求,各级消防救援指挥中心要逐步整合实现灭火救援指挥实战化展示、地理信息图文集成、可视化指挥调度、大数据分析决策等功能,这就需要更加稳定的传输信号和更大的传输速度,也对消防通信装备的功能性有更高的要求,现有通信设备普遍都是基于一些传统通信技术,受限于传统通信技术的局限性,无法实现上述要求。


  3.2.4应急指挥能力受限


  森林火情瞬息万变,这些危险火情可能在顷刻间给灭火人员造成巨大伤害,而指挥中心与火灾现场的通讯是帮助消防人员进行灭火工作、保障消防人员生命安全的重要基础,但目前我国许多地区的森林消防工作中的指挥通信仍然不够通畅,火场的信息难以马上通过语音、图像等方式反馈给指挥中心,指挥中心的讯息也难以实时地传送到森林火场,这可能会导致战机的贻误。除此之外,许多地区的森林消防指挥部的信息分析能力较弱,不能够对火场的地理情况、火情、气象、队伍实力、灭火作战预案等灭火救援信息进行科学的分析和管理。部分消防部门的网络系统和计算机没有采取科学有效的安全技术,一旦出现病毒或者发生单点故障,可能会对消防部门的整个网络系统带来较大影响。


  45G通信技术在森林灭火实战中的应用领域


  4.15G消防通信网络的构建


  在协调三大运营商,加强重点防火林区的5G公网基站建设,进一步扩大公网覆盖面的基础上,各森林消防总队利用卫星地面站、电信应急背负式移动5G基站和火场终端卫星基站组成的5G信号通信网实现了区域性覆盖,从而建立“空、天、地”立体化通信网络。


  “空”,即调用直升机和无人机,直升机可以用于空中吊桶作业、投送救援和通信中继,无人机可以用于三维建模、灾情评估和系留作业,延伸指挥调度网络和救援范围,打通救援最后一公里。“天”,即整合卫星通信资源,接入消防卫星网,实现广域覆盖、随遇接入、资源集成支撑应急现场远距离通信保障和扁平化的应急指挥。“地”,即采用“公专互补、宽窄融合、固移结合”的多维组网形态,为应急救援队伍、联动部门、社会公众和国际救援与协作提供应急通信服务。


  以5G通信技术为依托,整合无人机、直升机等应急救援航空资源,汇聚气象、地形等各类接处警信息,搭建卫星、直升机、地面设备信息交互通道,实现一张图指挥调度,一张网信息交互,一体化应急响应。


  4.2对单兵装备及消防器材进行数字化


  在5G通信技术大带宽低延时的可靠通信传输下,通过丰富多样的外联传感器设备从而打造出智能化、数字化消防救援。首先,利用卫星通信+5G通信模式,现场灭火救援人员以卫星通信为链路,可通过便携式基站信号进行手机通信,5G通信小范围覆盖,从而实现了远距离有保障,近距离无盲区的火场音视频通信。其次,对单兵防护装备进行数字化,消防人员可以通过智能穿戴设备来完成一系列的消防工作,这种装备不仅可以实时地反馈火场情况、灭火地点、气候条件等信息,还能够实时地测量消防员的心跳、脉搏、血压等信息,并通过网络迅速地发送给指挥部,从而帮助指挥部了解火场的情况、队员的位置以及作战地点的地理特征,从而根据这些获得的信息制定合理地灭火作战方案,以最小的代价完成森林灭火工作。除此之外,5G技术能够装备在消防设施上,指挥员能够通过5G技术对消防设备进行实时的连接和检测,从而实现远程操作、远程监测等,5G技术还能够有效地记录各消防工作的使用次数以及故障情况等,从而有效地实现消防设施的优化和改进。


  4.3对灭火救援现场实施环境监测


  森林灭火现场,可利用无人机搭载各类传感器、红外拍摄等采集现场数据,对各类数据数字化处理,分析研判,并通过5G通信技术进行传输,实现对现场环境参数的实时监测。在以往和目前的通信系统中,受到带宽、速度等限制,传输的检测数据都比较有限的,影音、图像等数据难以实现有效传输。进入5G时代后,上述限制将被有效打破,更多更详尽的数据将可以得到及时有效的传输,还有毒害气体的监控、火势的观察、人员疏散情况的把控等,这些数据信息的攫取,可以极大程度上促进指挥信息传递、灾情研判、态势分析等水平的提升。如,把红外线和双光图像收集与森林救火联系起来,借助平台的力量来布局、预判,与此同时将现场情况最快的进行反馈。达到了在突发事件中抓住救援抢险工作“黄金时段”的目的。此外,感烟感温技术已经相对成熟,但在森林灭火实战中应用面临的最大问题是感应数据的传输。在5G通信技术的帮助下,现场的温度情况可以传输回指挥终端并形成图像,烟雾类型、浓度等数据也可以及时汇总,进而能够根据现实情况对灭火行动进行指挥调度。可以预想,在不久的将来,随着5G通信技术的成熟和落地,消防指挥部甚至可以看到由从森林灭火现场数据绘制成的全息投影,从而可以更加直观、精确地进行环境监测。


  4.4用于作战指令传输


  当前条件下,作战指令的传输对于快速和精准的要求越来越高,同时要做到在快速、精准的前提下,尽可能传达更多、更丰富的有价值的指令信息。基于毫米波的5G通信,其频谱宽带是4G的10倍,时延可精确到毫秒级,可以实现双向远程指挥指令所需要的快速传输和带宽。


  4.5构建更为可靠的通信连接


  通信连接是连接消防指挥部和消防员,实现消防人员与消防装备的实时联结的关键所在,5G技术能够让消防人员和消费设施之间实现高度的、安全的连接,从而让消防工作人员能够实时地进行机器人、无人机等消防设施的远程超控,切实地保障消防人员的安全。同时,搭载5G技术的通信设备数据传输通道更大、功耗较低,能够在较短时间内传输大量的数据,这不仅能够提高消防设施的使用年限,还能够提高消防设施的持续作战能力,提高灭火效率。


  55G通信技术应用于森林灭火实战的主要作用


  5G技术传输数据的峰值可以达到每秒几十个Gb,而在5G网络下信息数据传输更加稳定,覆盖范围更加广泛,能够连接的设备会更多,运用在森林消防工作中会发挥重大的作用。因此,5G技术对于我国森林消防技术的发展以及森林消防部门的建设有着重要的价值。尽管我国的5G网络还在建设过程中,但这段时期我国消防技术与5G技术的融合能够得到较好的发展。


  5.1保持通信信号畅通


  当发生森林火灾时,5G网络稳定的信号能够有效地保障消防队伍与指挥中心的实时通讯,让指挥中心和消防部门实现紧密地协调、配合。森林火场瞬息万变,危险性极高,需要指挥中心与消防队员实现紧密的联系和配合,才能够有效地避免人员伤亡,提高灭火安全。5G技术能够有效地提上信息传输的速度,还能够提供稳定的信号,为灭火作战过程中的信息传输提供坚实的保障。


  5.2实现高质量的图像传输


  在森林灭火实战中,多种因素让有线通信实现起来非常困难,5G技术能够较好地解决这一问题。首先,5G技术的信号十分稳定,并且覆盖较为广泛,能够有效地避免抖动效应、频道干扰等问题的出现,从而有效地保障信息的质量。第二,将5G技术应用到监控设备能够实现对森林火场的实时监测,传输高清的、实时的火场画面,有效地发现森林火场中存在的一些潜在危险因素,还能够节约电缆铺设的费用。第三,5G技术的图像传输功能十分强大,能够实时地次数高质量的火场画面,让指挥中心能够实时地得到火场的实际情况,从而制定合理的灭火作战方案,避免人员伤亡,提升灭火工作的效率。通过5G技术,指挥中心能够通过网络进行软件的实时调度,从而实时地受到火场情况、地理位置特征、消防人员分布等信息,还能够通过监控平台及时地了解到火场的情况,这对于指挥中心设计作战方案有着重大的作用,不经能够满足指挥中心对于信息数量、质量的要求,还能够反馈火场中存在的的危险因素。因此,5G技术在信息传输质量以及信息传输速度等方面都有着较好的保障,在未来的消防工作建设中有着较好的前景。


  5.3增强通信通道的稳定性


  森林灭火实战现场条件复杂,天气、烟雾、温度、地形、植被等都会对通信信号带来各种干扰,因此其对通信的抗干扰性要求很高。同时,森林火灾火情瞬息万变,如果在出现突发情况时,通信出现中断,可能带来难以挽回的严重后果,因此对于通信信道的稳定性提出了更高的要求。5G下的无线网络是宽带的最大化,加上稳定性很强大。在实践中,这非常关键,将人员之间联系的渠道保护住了,人员可以准确定位、传递消息,更加容易保障好各位救援人员的生命安全。


  5.4提高监控、指挥、调度的实时性


  森林消防的信息系统应该是全面的、系统的。首先是及时得到灾害现场画面,把基本情况掌握起来。第二,需要对投入灭火作战的人员、装备进行准确掌握。5G的优势是把详细信息向指挥部门汇报,对人、物、事有一个整体的把控。从行动时算起,直至灭火完成时为止,整个过程都可以及时的把握,有理有据。在5G的覆盖下的,将个人通信设备的信息采集和火场监测、人工智能、VR虚拟现实等技术联合在一起,达到利用各个设备来接收和发送信息的目的,有益于采集数据信息、帮助判断形势、实时传达作战指令等各环节,使森林灭火行动朝着高效、科学、安全的方向发展。


  


  


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